金刚石热沉：兼顾高算力与低温控温的GPU芯片最优散热方案

在AI算力芯片、高端图形处理器持续高功率迭代的背景下，芯片热节流、高温降频、算力受限等问题愈发突出，传统铜、铝等常规散热材料的导热性能已触及物理极限，无法兼顾设备高性能运行与低温稳定控温的双重需求。金刚石作为已知导热性能最优的人工功能材料，热导率可达2000W/m·K，是传统铜材（400W/m·K）的5倍，极致的导热效率使其成为高端电子设备热管理的核心基材。同时金刚石具备优异的绝缘特性，不会对芯片电路运行造成干扰，可在保障芯片常规稳定工作的前提下，极速疏导处理器集中积热，有效降低芯片工作温度、释放超频性能，真正实现高性能、高稳定性的“两全其美”散热效果。

目前全球已有成熟的产业化落地案例验证金刚石散热技术的核心价值。美国Akash公司通过技术创新，将商用GPU芯片与自研金刚石氮化镓（GaN）PCB基板集成适配，依托GaN-on-diamond异质集成架构，彻底重构高端芯片散热链路。该技术可将GPU热点温度精准降低10-20℃，设备散热风扇转速降低50%，芯片超频性能提升25%，服务器整机服役寿命实现翻倍延长。规模化应用于数据中心场景后，可大幅降低整机冷却能耗，每年节省数百万美元运维成本，从根源上杜绝高温引发的热节流现象，保障算力设备持续高负载稳定运行。

除算力服务器场景外，该金刚石散热技术在航空航天、卫星射频通信领域同样具备不可替代的应用优势。卫星射频功率放大器是空间通信设备的核心功耗与发热主体，传统散热方案受制于体积、重量与散热效率短板，难以适配太空极端工况。依托金刚石极致散热优势，可让射频器件长期低温稳定运行，助力卫星通信设备实现带宽提升、能效优化，同时有效缩减系统体积、重量与运维成本，实现空间通信设备的小型化、轻量化、高性能化升级，解锁多项传统散热技术无法实现的封装设计与性能突破。

GaN-on-diamond器件的性能上限，核心取决于金刚石与氮化镓的异质集成制备工艺。当前行业主流技术路线可分为三类，分别为低温键合工艺、背面金刚石沉积工艺、金刚石衬底外延GaN工艺，三类技术各有适配场景与工艺优势，全方位覆盖不同功率等级的半导体器件制备需求。

一、低温键合技术

该工艺核心思路为衬底剥离异质集成，首先将GaN外延功能层从原生硅衬底上完整剥离，随后在裸露的GaN功能层表面制备专用过渡中间层，最终与多晶金刚石衬底完成精准键合集成。该方案可实现GaN器件有源区与CVD金刚石高导热基底的近距离贴合，大幅缩短热传导路径、降低界面热阻，快速疏导器件工作热量，有效降低功率半导体器件的工作结温，适配中高功率GaN器件规模化制备场景。

 二、GaN外延层背面金刚石沉积技术

该工艺与低温键合技术的核心差异在于集成顺序与保护层设计。工艺过程中，首先去除原生衬底及冗余GaN缓冲层，在GaN外延层背面沉积一层致密介电防护层，有效保护核心GaN功能层结构不受后续工艺损伤，随后在防护层外侧沉积厚度约100μm的金刚石散热层。该结构可让GaN导电通道与超高导热金刚石层紧密贴合，最大程度弱化功率放大器工作过程中的温升幅度，显著优化器件散热效率与运行稳定性。

 三、金刚石衬底外延生长GaN技术

该技术为高端高可靠GaN器件的最优制备路线，直接在金刚石衬底表面外延生长GaN功能结构，从根源上优化界面传热、规避多层结构热阻损耗。针对金刚石与GaN材料晶格失配度高、外延难度大、工艺复杂、成本偏高的行业痛点，化合积电自主研发推出金刚石基氮化铝（AlN on Diamond）缓冲层材料。该产品具备膜层均匀性优异、适配性强的核心优势，可有效简化GaN外延制备工艺流程、降低产业化成本，大幅弱化异质衬底与外延层的晶格失配缺陷，为制备高品质、高一致性、高稳定性的GaN/AlGaN半导体材料提供核心工艺保障。

化合积电是一家专注于宽禁带半导体材料研发、生产和销售的国家高新技术企业，核心产品有多晶金刚石(晶圆级金刚石、金刚石热沉片、金刚石窗口片、金刚石基复合衬底)、单晶金刚石(热学级、光学级、电子级、硼掺杂)和金刚石复合材料等，引领金刚石及新一代材料革新，赋能高端工业化应用，公司产品广泛应用于激光器、GPU/CPU、医疗器械、5G基站、大功率LED、新能源汽车、新能源光伏、航空航天和国防军工等领域。